摘 要:以某双连拱隧道为原型,建立弹性平面应变模型,针对目前国内常用的三种双连拱隧道施工方法,对隧道动态施工过程进行数值模拟,探讨了采用不同方法开挖双连拱隧道时施工各阶段围岩应力场和位移场的分布特点,得出对隧道施工有益的建议。
关键词:连拱 隧道 数值模拟 平面应力 位移场
中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)04(b)-0104-02
隧道结构的力学计算是一项比较困难的课题。在各种荷载作用下,地层岩土介质与隧道结构相互作用相当复杂。只有那些具有理想的几何形状和材料性态,且载荷形式与边界条件简单的线弹性体系(或简化弹塑性体系),我们不能得到较精确的解答。但是,对处于非线性岩土体内的连续或不连续介质和任意几何外形的隧道结构,其力学计算必须借助于近似的数值方法。由于采用不同的施工方法,施工过程中不同工序引起的位移大小和分布也不同。
有限单元法是自50年代发展至今,己成为求解复杂的岩土工程问题的有力工具,并越来越多地被工程界所接受。有限单元法以弹塑性力学作为理论基础,通过求解弹塑性力学方程(物理方程、几何方程、平衡方程),计算隧道围岩体在一定的环境条件(自重、荷载等)下的应力场和位移场,然后根据相应的岩土体破坏准则,判断隧道围岩体各相应部位在该应力作用下所处的状态,并指出可能发生破坏(拉张破坏、剪切破坏、塑性破坏等)的部位和区域,以此对整个隧道的稳定性进行评价,这种方法是基于小变形和连续介质的假设,适用于分析模拟隧道变形发展演化的早期阶段在应力场作用下发生的拉张或压缩变形。
1 有限元法的基本思想
1.1 基本思想
有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元,并在每一个单元中设立有限个结点,将连续体看作是只在结点处连续的一组单元的集合体;同时,选定场函数的结点值作为基本未知量,并在每个单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律;进而利用力学中的某种变分原理去建立用以求解结点未知量的有限单元平衡方程,从而将一个连续区域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题,一经求解,就可以利用解得的结点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。
1.2 基本分析步骤
有限单元法解题的一般步骤是:结构离散化、选择位移模式、建立平衡方程、求解结点位移、计算单元的应力和应变。其中结构的离散化是有限元的基础。所谓离散化,就是将分析结构分割成有限个单元体,使相邻单元体仅在结点处相连接,而以此单元的结合体去代替原来的结构。如果分析结构是二维或三维的连续介质,就要根据实际物体的形状和对于计算结果所要求的精度来确定单元的形状的剖分方式。
2 计算模型的建立及有限元网格划分
根据连拱隧道断面的相关尺寸,建立二维弹性有限元计算模型。模型计算范围在水平方向取距隧道中心5倍跨,下边界取为洞高的2倍,上边界取隧道实际埋深。模型的边界条件采用施加约束的方法,在模型的底面加固定支座以约束所有自由度,在平行隧道走向的两侧施加滑动支座,只约束水平方向的自由度而释放垂直方向上的自由度,以模拟岩体的沉降,如图1。数值模型总共用了27000多个单元,近1000000个节点。因为隧道的埋深较浅,故地应力场按自重应力场考虑。
3 三导洞法开挖过程围岩位移分析
隧道开挖后,围岩受力平衡状况被打破,应力重新分布,使得围岩发生变形,从而产生位移变化。中导洞,右洞,左洞围岩位移随施工过程变化图如图2-5。
通过分析可知先开挖的侧洞对中导洞位移的影响大于后开挖的侧洞。如图中导洞的位移随着右洞的开挖变化较大,随后开挖的左洞对中导洞的位移没有右洞那么显著。
4 围岩应力场分析
围岩应力变化随施工工序变化如下系列图示(图6-8)。
中导洞开挖后,在中导洞拱腰部位产生月牙状高应力区,拱脚处产生应力集中现象,在施工中应加以注意,加强该部位的强度和刚度。随着侧导洞的开挖,中导洞和侧导洞间形成高应力承载区。在开挖侧导洞时在侧导洞拱腰部位应力比较大,注意对该部位的加强。中导洞和侧导洞间形成高应力承载区的上部土体时,对围岩的应力影响较大,在开挖洞室的拱腰部仍形成较大的应力区域。随后的核心土体的开挖对洞室围岩应力的影响不是很大。从隧道的支护受力情况可以看到,在左右洞室的拱腰处的支护应力最大,左右洞室支护应力图形形状基本沿隧道轴线对称分布。中隔墙是连拱隧道施工的一个较关键部位。从中隔墙的受力情况可以分析到:中隔墙两端承受较大的压力。边墙底部角隅应力集中显著。
5 结论
施工过程中导坑的开挖就是一般的小洞径隧道开挖,它引起的围岩位移变化与单洞隧道的情况一致;中墙由于是在中导坑稳定过后才浇注的,故它在下一步施工工序进行之前主要承受的是其自身的重量,对位移的影响不大。论文两种施工方法这两步工序都完全一样,故它们引起的围岩位移变化也基本一样。隧道施工过程中,洞室的拱腰部位一般是高应力区域,是在施工中需要加以注意加强的部位。
参考文献
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